تکنولوژی شکل دهی ذوب فلز نقش حیاتی در توسعه سطح بالا ایفا می کند صنعت تولید. در پاسخ به مشکلات منافذ، ترک ها و سازماندهی ناهموار در فرآیند شکل گیری ذوب فلزمحققین فلزی به کمک میدان انرژی خارجی مافوق صوت را پیشنهاد کردند تکنولوژی شکل دهی ذوب برای بهبود کیفیت و عملکرد شکل گیری ذوب فلز. مکانیسم و ​​روش افزودن ارتعاش مافوق صوت در فرآیند شکل‌دهی ذوب فلز، به‌ویژه برای روش‌های شکل‌دهی ذوب فلز مانند جوشکاری، روکش سطحی و ساخت افزودنی‌ها به طور مفصل معرفی شده است. تأثیر ارتعاش اولتراسونیک بر ریزساختار و عملکرد قطعات تشکیل‌شده به تفصیل شرح داده شده است، و روند توسعه فناوری شکل‌دهی ذوب فلز به کمک ارتعاش اولتراسونیک مورد بررسی قرار می‌گیرد.

شکل دهی ذوب فلزات یک روش شکل دهی است که فلز را با حرارت دادن ذوب می کند تا به پیوندهای آلیاژی یا متالورژیکی مانند جوشکاری، روکش سطوح و ساخت افزودنی دست یابد. در زمینه‌های هوافضا، کشتی‌سازی و تجهیزات پیشرفته، فناوری شکل‌دهی ذوب فلز نقش مهمی در شکل‌دهی، اتصال و تعمیر قطعات سازه‌ای فلزی دارد. با این حال، ویژگی های انجماد سریع منجر به یک گرادیان دمایی بزرگ می شود که بر ریزساختار و عملکرد قطعات فلزی تأثیر می گذارد.
طبق تئوری انجماد فلز، زمانی که مذاب فلز در حالت انجماد تعادلی یا تحت یک گرادیان دمایی کوچک باشد، رشد دانه نسبتاً ملایم است و شکل آن معمولاً گرد یا سلولی است. برعکس، زمانی که گرادیان دما زیاد باشد، دانه ها به دلیل سرد شدن سریع به سرعت رشد می کنند و ساختار دندریتی را تشکیل می دهند. توزیع مجدد املاح در داخل دندریت ناهموار است و در نتیجه جداسازی ایجاد می شود که به نوبه خود بر یکنواختی ساختار پس از جامد شدن آلیاژ تأثیر می گذارد. ویژگی فناوری شکل دهی ذوب فلز این است که مواد فلزی در یک منطقه کوچک با استفاده از یک منبع حرارتی با چگالی انرژی بالا ذوب می شوند و بین منبع گرما و ناحیه مورد پردازش یک جابجایی نسبی وجود دارد. منبع حرارت متحرک باعث می شود که ذوب فلز به سرعت تحت گرادیان های دمایی بسیار بالا جامد شود و دانه های داخلی معمولاً کریستال های ستونی یا دندریت هستند. این دو شکل دانه ای در اثر تنش حرارتی مستعد ایجاد ترک و منافذ هستند که عملکرد قطعه کار را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. بنابراین، تنظیم ساختار داخلی قطعات تشکیل دهنده ذوب فلز و کاهش عیوب داخلی از اهمیت بالایی برخوردار است.
به منظور حل مشکلات فوق، محققان پیشنهاد کردند که میدان های فیزیکی خارجی را در طول فرآیند انجماد فلز اعمال کنند و از برهمکنش بین میدان فیزیکی و مذاب فلز برای تنظیم ساختار انجماد فلز استفاده کنند. میدان های فیزیکی خارجی شامل میدان های الکتریکی، میدان های مغناطیسی و میدان های اولتراسونیک است. در سال 1869، محققان ارتعاش مکانیکی را به قالب ریخته‌گری وارد کردند تا دانه‌های درشت را بشکند و دانه‌های شمش فولاد را تصفیه کند. ارتعاش اولتراسونیک یک ارتعاش مکانیکی با فرکانس بالا است که می تواند اثرات منحصر به فردی در مذاب فلز ایجاد کند. Eskin اثر ارتعاش اولتراسونیک را بر روی آلومینیوم با خلوص بالا مطالعه کرد و دریافت که ساختار انجماد پس از عملیات اولتراسونیک به طور قابل توجهی تصفیه شده و خواص مکانیکی بهبود یافته است. ارتعاش اولتراسونیک اثرات پالایش دانه ها، مهار تفکیک و کاهش گرادیان دما دارد و نقش مثبتی در رشد و انجماد دانه ها دارد. در حال حاضر، معرفی میدان های مافوق صوت به عنوان میدان های انرژی خارجی در فناوری شکل دهی ذوب فلزات به یکی از کانون های تحقیقاتی تبدیل شده است. این مقاله آخرین پیشرفت‌ها و چالش‌های تکنولوژی شکل‌دهی فلز به کمک ارتعاش اولتراسونیک را در داخل و خارج از کشور در سال‌های اخیر، با توجه ویژه به کاربرد ترکیبی ارتعاش اولتراسونیک با فن‌آوری‌های شکل‌دهی ذوب فلز مانند جوشکاری، روکش‌های سطحی و مواد افزودنی مورد بحث و بررسی قرار می‌دهد. تولید ابتدا مکانیسم ارتعاش اولتراسونیک در مذاب فلز به طور خلاصه معرفی می شود. سپس، با توجه به ویژگی‌های انتقال امواج مافوق صوت، تأثیر ارتعاش اولتراسونیک در روش‌های مختلف افزودن بر فناوری شکل‌دهی ذوب فلز مورد بحث قرار می‌گیرد. سپس، با توجه به ویژگی‌های فرآیند شکل‌دهی ذوب فلز، اثر تنظیم ارتعاش اولتراسونیک بر ریزساختار و عملکرد قطعات تشکیل‌شده برای سه فناوری شکل‌دهی مورد بحث قرار می‌گیرد: جوشکاری، روکش سطحی و ساخت افزودنی. در نهایت، مسائل کلیدی علمی و چالش‌های فنی با فناوری شکل‌دهی ذوب فلز به کمک ارتعاش اولتراسونیک خلاصه می‌شود.

مکانیزم ذوب و شکل‌دهی فلز به کمک ارتعاش اولتراسونیک

ارتعاش اولتراسونیک امواج مکانیکی دوره ای با فرکانس بیشتر از 20,000 هرتز تولید می کند. ارتعاش اولتراسونیک در مذاب فلز باعث برخورد و اصطکاک بین ذرات فلز مایع می شود و در نتیجه اثر کاویتاسیون، اثر جریان صوتی، اثر مکانیکی و اثر حرارتی ایجاد می شود. اثر کاویتاسیون باعث می شود حباب کاویتاسیون در مذاب فلز پاره شود و یک موج ضربه ای با سرعت بالا و دمای بالا در اطراف حباب کاویتاسیون ایجاد می شود که به نوبه خود بر دانه های انجماد اطراف اثر می گذارد. وانگ و همکاران فرآیند پارگی حباب های کاویتاسیون را از طریق عکاسی با سرعت بالا مشاهده کرد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، حباب های کاویتاسیون معمولا در بالای دندریت ها تشکیل می شوند. پس از تشکیل دندریت ها، آستانه تنش خاصی در ریشه دندریت وجود دارد. دمای بالا و موج ضربه ای با سرعت بالا که در اثر پارگی حباب کاویتاسیون ایجاد می شود در بالای دندریت عمل می کند و باعث خم شدن و سپس شکستن دندریت می شود. وانگ و همکاران از فناوری تابش سنکرون اشعه ایکس برای تحقق مشاهده لحظه‌ای حباب‌های کاویتاسیون اولتراسونیک در طول فرآیند انجماد آلیاژ Bi Zn تحت ارتعاش اولتراسونیک استفاده کرد. آنها دریافتند که فشار صوتی در مذاب، شدت حباب های کاویتاسیون در مذاب را تعیین می کند. تحت دامنه فشار 14.5 مگاپاسکال، حباب های کاویتاسیون پس از هسته و رشد در یک چرخه اولتراسونیک منفجر می شوند. در محدوده دامنه فشار 0 تا 0.33 مگاپاسکال، حباب‌های کاویتاسیون در طول فرآیند انقباض و انبساط به حالت پایدار می‌رسند و می‌توانند در هزاران سیکل اولتراسونیک دست نخورده باقی بمانند. در فرآیند ذوب و شکل‌گیری فلز، یک گرادیان دما بسیار زیاد است. پس از انجماد، تولید دندریت های ضخیم بسیار آسان است. دندریت ها باعث ایجاد بافت می شوند و سپس خواص مکانیکی قطعات بدتر می شود. بنابراین، پالایش دانه در طول انجماد نیاز به مکان‌های هسته‌زایی بیشتری دارد. اثر کاویتاسیون می‌تواند دندریت‌های بزرگ را بشکند و بازوهای دیواره دندریت شکسته می‌توانند به عنوان مکان‌های هسته‌زایی جدید برای ارتقای پالایش دانه‌ها عمل کنند. از نظر شبیه‌سازی عددی، محققان معادله دیفرانسیل جزئی دینامیکی حباب‌های کاویتاسیون را ایجاد کردند و از MATLAB برای حل تأثیر دینامیکی پارامترهای اولتراسونیک بر حباب‌های کاویتاسیون استفاده کردند. پارگی حباب های کاویتاسیون نیاز به فشار منفی کافی و زمان انبساط دارد. پس از افزایش فرکانس اولتراسونیک، چرخه انبساط و انقباض حباب‌های کاویتاسیون کوتاه‌تر می‌شود و پارگی آن دشوارتر می‌شود. افزایش دامنه اولتراسونیک به حباب کاویتاسیون اجازه می دهد تا انرژی صوتی بیشتری دریافت کند، شعاع در طول فرآیند انبساط بیشتر تغییر می کند و موج ضربه ای با دمای بالا که پس از پارگی ایجاد می شود قوی تر است.

از سوی دیگر، ارتعاش اولتراسونیک نیز الگوی جریان و گرادیان دمای مذاب فلز را تغییر خواهد داد. ارتعاش اولتراسونیک یک میدان صوتی در مذاب فلز ایجاد می کند و یک گرادیان فشار صوتی در مذاب تشکیل می شود که بر الگوی جریان مذاب تأثیر می گذارد. تولید جریان صوتی به جهت اعمال ارتعاش اولتراسونیک بستگی دارد. نیروی محرکه جریان آکوستیک گرادیان فشار صوتی در مذاب است و جهت جریان صوتی به جهت کاهش فشار آکوستیک اشاره دارد. Wang Chuanyu اثر جریان آکوستیک را در فرآیند پوشش لیزری پوشش IN718، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، مطالعه کرد. نتایج نشان می دهد که اثر جریان صوتی روند جریان مذاب فلز را تغییر می دهد. برخلاف گردش مارانگونی، در حالت جریان جریان صوتی، جت محوری ایجاد شده توسط ارتعاش زیرلایه به وسط مذاب فلز می رسد و سپس منحرف می شود و یک گرداب در قسمت های میانی و پایینی تشکیل می دهد، در حالی که سایر مناطق در مذاب فلز هستند. تقریبا ایستا
اثر کاویتاسیون، برخورد ذرات و اصطکاک ذرات ناشی از ارتعاش اولتراسونیک، انرژی مکانیکی را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند. مذاب فلز دارای اثر جذب صوتی است. منافذ موجود در مذاب باعث افزایش اثر جذب مذاب بر روی موج صوتی می شود و باعث افزایش دمای محلی و کاهش گرادیان دمایی مذاب فلز می شود. وی و همکاران از فلوئنت برای شبیه‌سازی اثر ارتعاش اولتراسونیک در محل بر روی جریان و رفتار انجماد مذاب فلز روکش لیزری استفاده کرد. نتایج نشان می دهد که اثر جریان صوتی ایجاد شده توسط ارتعاش اولتراسونیک دمای مرکز مذاب فلز را کاهش می دهد. با افزایش توان اولتراسونیک، گرادیان دما ابتدا کاهش و سپس افزایش می یابد و سرعت انجماد ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد. جریان صوتی تولید شده توسط ارتعاش اولتراسونیک با تغییر دما همراه است. با افزایش زمان عمل اولتراسونیک، تغییر دما آشکارتر می شود. در محل با سرعت جریان بالا در مذاب، برخورد و اصطکاک بین ذرات شدیدتر می شود و دما بیشتر می شود. در همان زمان، جریان صوتی مذاب را به هم می زند، که می تواند گرادیان دمای مذاب را کاهش دهد و از تفکیک عناصر جلوگیری کند.

وضعیت تحقیق ذوب و تشکیل فلز به کمک ارتعاش اولتراسونیک

روش معرفی ارتعاش اولتراسونیک
سیستم ارتعاش اولتراسونیک از یک مبدل، یک بوق و یک سر ابزار تشکیل شده است. در میان آنها، مبدل مسئول تبدیل انرژی الکتریکی به ارتعاش مکانیکی در فرکانس اولتراسونیک است. بوق ارتعاش مکانیکی مبدل را دریافت می کند و آن را با توجه به نیازهای کاربردی تقویت یا متمرکز می کند. سر ابزار را می توان به عنوان یک بوق ثانویه در نظر گرفت که نقش کلیدی در فرآیند ذوب و شکل گیری فلز دارد. در ذوب و شکل دهی فلزات، اگر شیپور در تماس مستقیم با مذاب فلز باشد، محیط دمای بالا بر حالت کار شیپور تأثیر می گذارد. بنابراین، نقش سر ابزار بسیار مهم است. این وسیله برای انتقال ارتعاش اولتراسونیک است و تضمین می کند که ارتعاش اولتراسونیک در شرایط دمای بالا به مذاب فلز منتقل می شود. این ساختار به حفظ اثربخشی ارتعاش اولتراسونیک کمک می کند و از اجزای کلیدی در برابر آسیب دماهای شدید محافظت می کند، در نتیجه عملکرد پایدار و قابلیت اطمینان طولانی مدت سیستم را تضمین می کند و یک راه حل ارتعاش اولتراسونیک کارآمد و قابل اعتماد برای ذوب و شکل گیری فلزات ارائه می دهد. در فرآیند جوشکاری، روکش سطوح و ساخت مواد افزودنی، منبع حرارت معمولاً با سرعت معینی حرکت می‌کند و در نتیجه اندازه فلز کوچک‌تر می‌شود، بنابراین دستگاه اضافه کردن ارتعاش اولتراسونیک پیچیده‌تر است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، روش معرفی اولتراسونیک به طور تقریبی به دو دسته تماس مستقیم و غیر تماسی تقسیم می شود.
اگر در حین انتقال ارتعاش اولتراسونیک تماس محکم نباشد، اثر انتقال ارتعاش اولتراسونیک بسیار کاهش می یابد، بنابراین لازم است یک پیش بار در موقعیت تماس اعمال شود. روش های متداول اضافه کردن پیش بارگذاری، پیش بارگذاری مستقیم و پیش بارگذاری نخ هستند. در حال حاضر، روش معرفی فراصوت به طور گسترده استفاده از اولتراسوند در زیر بستر یا پلت فرم کار است. روش خاص این است که واحد ارتعاش اولتراسونیک را در زیر بستر قرار دهید، سر ابزار مستقیماً با بستر تماس می گیرد و موقعیت تماس با تنظیم موقعیت نسبی از قبل بارگذاری می شود، به طوری که سر ابزار، بستر را به سمت ارتعاش در فرکانس بالا هدایت می کند.
هنگامی که Guo Minhai پودر سرامیک YSK را روی بستر TC4 پوشاند، او سونوگرافی را از پایین بستر اضافه کرد. نیروی پیش بار با پیش بارگذاری مستقیم اضافه شد. حسگر لیزری دامنه بستر را در حداکثر توان 3 میکرومتر اندازه‌گیری کرد. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، لین شین از روش های عکاسی با سرعت بالا و پردازش تصویر MATLAB برای تجزیه و تحلیل تاثیر ارتعاش اولتراسونیک بر مورفولوژی مذاب فلز و سوراخ کلید در طول جوشکاری لیزری استفاده کرد. نتایج عکاسی با سرعت بالا نشان می دهد که افزایش در فشار میله دامنه پدیده پاشش مذاب فلز را تشدید می کند، نوسان سطح پلاسمای بخار فلز به طور قابل توجهی افزایش می یابد و متوسط ​​​​مساحت پلاسمای بخار فلز خارج شده در سوراخ کلید افزایش می یابد. فرآیند ذوب و شکل‌دهی فلز در سطح بالایی اتفاق می‌افتد و ارتعاش اولتراسونیک زمانی که به زیرلایه منتقل می‌شود کاهش می‌یابد. در همان زمان، شدت ارتعاش اولتراسونیک در موقعیت های مختلف در سطح بالایی بستر نیز ممکن است متفاوت باشد.
نیروی پیش بار اعمال شده با تنظیم موقعیت نسبی تحت تأثیر فشار موقعیت تماس قرار می گیرد و همانطور که لیزر گرم و سرد می شود، تغییر حجم موقعیت تماس بر اثر انتقال ارتعاش اولتراسونیک تأثیر می گذارد. بنابراین، دامنه مافوق صوت ارائه شده توسط این نیروی پیش بارگذاری اغلب کوچک است و فرکانس ارتعاش زیرلایه کمتر از فرکانس تنظیم شده توسط منبع ارتعاش اولتراسونیک است.
ژوانگ و همکاران زیرلایه و بوق را از طریق نخ ها به هم متصل کرده و سپس سطح زیرلایه را با لیزر دوباره ذوب کرد. نتایج پراش الکترونی پس پراکندگی (EBSD) نشان داد که پالایش دانه در ناحیه ذوب مجدد آشکار است و اثر کاویتاسیون و اثر جریان صوتی ناشی از ارتعاش اولتراسونیک، گرادیان دمای مذاب را تغییر داده و کریستال‌های ستونی درشت به ریز تبدیل شدند. کریستال های هم محور پس از ذوب مجدد، ریزسختی افزایش یافت و ضریب اصطکاک سطحی از 1.3 به 0.4 کاهش یافت. Lu Xijiang در فرآیند رسوب لیزری ساخت آلیاژ با دمای بالا IN939، اولتراسوند پایین را اضافه کرد و به طور مستقل یک بوق با حالت رزونانس از طریق ANSYS طراحی کرد. سپس زیرلایه و قسمت بالای شاخ را با نخ فیکس کردند. نتایج نشان داد که اثر انتقال ارتعاش اولتراسونیک خوب بود، تخلخل در لایه روکش کاهش یافت، دانه‌ها تصفیه شدند و استحکام بافت کاهش یافت. پیش سفت کردن نخ می تواند اتصال محکم بین بوق و قطعه کار را تضمین کند و می تواند ارتعاشات اولتراسونیک را با انرژی بالاتر و فرکانس بالاتر منتقل کند.
روش دیگر برای افزودن سونوگرافی استفاده از سونوگرافی از کنار زیرلایه یا قطعه کار است که با توجه به جهت حرکت منبع حرارتی به جهات طولی و عرضی تقسیم می شود. ارتعاش اولتراسونیک عمود بر جهت حرکت منبع حرارت، بستر یا قطعه کار را به حرکت جانبی سوق می دهد. دامنه اولتراسونیک این حرکت عرضی به طور کلی کوچک است، اما فرکانس بالا است، که می تواند اطمینان حاصل کند که مذاب در معرض ارتعاش اولتراسونیک پایدار قرار می گیرد در حالی که به طور پایدار جامد می شود. معمولاً برای بهبود سازماندهی و عملکرد قطعات افزودنی استفاده می شود. ربیعی و همکاران ارتعاش اولتراسونیک را عمود بر جهت حرکت منبع گرما در فرآیند تولید رسوب لیزری فولاد ضد زنگ 316L اضافه کرد. حداکثر دامنه ترانسفورماتور دامنه اندازه گیری شده توسط ارتعاش سنج لیزری 3.49 میکرومتر و فرکانس 25 کیلوهرتز بود. نتایج نشان می‌دهد که اولتراسوند جانبی می‌تواند تخلخل را در سازمان کاهش دهد، دانه‌ها را اصلاح کند و شدت و جهت ارتعاش اولتراسونیک در نمونه رابطه پیچیده‌ای دارد. گورونوف ارتعاش اولتراسونیک را عمود بر جهت حرکت منبع حرارتی در فرآیند ساخت افزودنی TC4 اضافه کرد و فرکانس ارتعاش اولتراسونیک به ترتیب 22، 40، 60، 80 و 100 کیلوهرتز بود. مشخص شد که توزیع دانه قطعات افزودنی بازوی مستقیم، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، یکنواخت نیست. دانه های هم محور فقط در برخی موقعیت های خاص ظاهر می شوند که با تغییر قدرت و فرکانس اولتراسونیک تغییر می کند. شکل انتشار ارتعاش اولتراسونیک عمدتاً موج عرضی است. پس از افزودن ارتعاش اولتراسونیک عرضی، جهت انتشار موج با جهت تولید افزودنی مطابقت دارد و امواج ایستاده در قسمت های افزودنی ایجاد می شود. تبدیل (CET) کریستال های ستونی به کریستال های هم محور فقط در موقعیت آنتی گره موج ایستاده رخ می دهد.
زو و همکاران ارتعاش اولتراسونیک را در جهت حرکت منبع گرما در طول فرآیند روکش لیزری آلیاژ IN718 با دمای بالا اضافه کرد. از طریق عکاسی با سرعت بالا و شبیه‌سازی اجزای محدود، مشخص شد که ارتعاش مافوق صوت طولی حالت جریان مذاب فلز را تغییر می‌دهد، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. مورفولوژی مذاب فلز تحت فشار امواج فراصوت طولی تغییر می‌کند. مذاب افزایش می یابد، عمق کاهش می یابد، گردش مارانگونی ایجاد شده توسط ذوب لیزر به یک جریان رفت و برگشتی یک طرفه در امتداد جهت ارتعاش اولتراسونیک تغییر می کند، و گرادیان دمای مذاب نیز تغییر می کند. با این حال، ارتعاش مافوق صوت طولی برای روکش چند لایه مساعد نیست و ارتعاش اولتراسونیک قوی به طور جدی بر پایداری و کیفیت شکل‌گیری مذاب در طول انجماد تأثیر می‌گذارد. افزودن ارتعاش اولتراسونیک از بالا یک فناوری جدید است. فیکسچر اولتراسونیک معمولاً همزمان با لیزر حرکت می کند تا موقعیت نسبی ارتعاش اولتراسونیک و منبع گرما را بدون تغییر نگه دارد، به طوری که ارتعاش اولتراسونیک بر روی مذاب فلز به روش مستقیم تری عمل می کند. کلید اضافه کردن ارتعاش اولتراسونیک از بالا، تنظیم موقعیت نسبی بین نقطه عمل اولتراسونیک و مذاب فلز است. وو و همکاران یک پلت فرم آزمایشی برای تولید افزودنی لیزر کامپوزیت ارتعاش اولتراسونیک بعدی ساخته شده است. از طریق تجزیه و تحلیل فاز، مشخص شد که وقتی زاویه بین سر ابزار اولتراسونیک و مسیر نوری لیزر 30 درجه بود، اثر انتشار ارتعاش اولتراسونیک بهترین بود. با این حال، دستگاه ارتعاش اولتراسونیک از نظر اندازه بزرگ است و موقعیت محدودی دارد. نمی تواند ارتعاش اولتراسونیک را به کل قسمت افزودنی اعمال کند. این فقط ارتعاش اولتراسونیک را از طریق قسمت تشکیل شده منتقل می کند که شبیه به اصل اعمال ارتعاش اولتراسونیک از پایین است. لی یانگ همچنین ارتعاش اولتراسونیک را در فرآیند پوشش لیزری لایه روکش کامپوزیت TiC/TC4 اضافه کرد. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، موقعیت گره ها و آنتی گره های ارتعاش اولتراسونیک با استفاده از پیش پودری تعیین شد. مشخص شد که در مقایسه با فقدان اثر اولتراسونیک، زمانی که توان اولتراسونیک 1800 وات بود، کسر جرمی TiC ذوب نشده در لایه روکش کامپوزیت 40.74٪ کاهش یافت و دانه‌ها تصفیه شدند. با این حال، زمانی که پیش بارگذاری بین سر ابزار و زیرلایه افزایش یافت، پایداری دستگاه بدتر شد و اثر انتشار ارتعاش اولتراسونیک ایده‌آل نبود. این به این دلیل است که افزایش جرم بدن در حال ارتعاش، کاهش انرژی ارتعاش اولتراسونیک را افزایش می دهد.
اضافه شدن ارتعاش اولتراسونیک بدون تماس از محدودیت پیش بارگذاری خلاص می شود. طراحی یک ساختار سر ابزار ویژه برای انتقال ارتعاش اولتراسونیک از طریق رسانه های با چگالی کم مانند هوا یا آب برای ایجاد اثر فوکوس اولتراسونیک در یک موقعیت خاص ضروری است. با این حال، دمای بالای ناشی از منبع گرما، حرکت مولکولی محیط کم چگالی را تشدید می‌کند، فاصله مولکولی را افزایش می‌دهد و اثر تمرکز اولتراسونیک را بدتر می‌کند، بنابراین ارتعاش اولتراسونیک غیر تماسی معمولاً با سایر میدان‌های انرژی خارجی همراه می‌شود. ژو و همکاران ارتعاش اولتراسونیک غیر تماسی همراه با پیش گرمایش بستر. تحت اثر هم افزایی ارتعاش اولتراسونیک و پیش گرمایش، گرادیان دمایی فلز مذاب کاهش یافت، سرعت خنک‌سازی کاهش یافت و ساختار داخلی از لایه‌ای به دانه‌ای تبدیل شد.
در حال حاضر، اضافه کردن اولتراسوند عمدتا از نوع تماسی است و تفاوت بین روش‌های مختلف در جهت انتقال ارتعاش اولتراسونیک در فلز مذاب منعکس می‌شود. حالت انتقال مستقیماً بر تأثیر ارتعاش اولتراسونیک در فلز مذاب تأثیر می گذارد، بنابراین هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. به عنوان مثال، تحت کار طولانی مدت، با کاهش پیش بار بین سر ابزار و سطح قطعه کار، ترکیب سر ابزار و زیرلایه شل شده و مشکل شکاف ایجاد می شود. این منجر به کاهش قابل توجه راندمان انتقال ارتعاش اولتراسونیک و تضعیف فرکانس می شود که به تدریج ارتعاش اولتراسونیک را به ارتعاش مکانیکی با فرکانس پایین تبدیل می کند. از سوی دیگر، روش غیر تماسی از فوکوس اولتراسونیک برای انتقال ارتعاش به مذاب استفاده می‌کند، اما محیط دمای بالا ممکن است بر چگالی هوا تأثیر بگذارد و در نتیجه بر اثر تمرکز اولتراسونیک تأثیر بگذارد. جدول 1 مزایا و معایب روش های مختلف اضافه را فهرست می کند. این مقایسه به محققان کمک می‌کند تا هنگام انتخاب روش افزودن اولتراسونیک، عوامل مختلف را به طور جامع‌تر در نظر بگیرند و اثر کاربرد ارتعاش اولتراسونیک در ذوب و شکل‌دهی فلزات را بهبود بخشند.

جوشکاری لیزر به کمک اولتراسونیک
جوشکاری لیزری دارای ویژگی های عمق نفوذ زیاد، ناحیه تحت تاثیر حرارت کوچک و راندمان جوش بالا است. چگالی انرژی بسیار بالا باعث می شود که فلز فوراً تبخیر شود و سوراخ کلید را تشکیل دهد. جریان بخار فلز در سوراخ کلید و مواد مذاب اطراف آن نقش مهمی در فرآیند جوشکاری دارد. شکل سوراخ کلید تاثیر زیادی بر کیفیت جوش دارد. سرعت سرد شدن مذاب زیاد است و بخار فلز داخلی به راحتی پس از انجماد تشکیل می شود. منافذ زیاد. در عین حال، انتقال حرارت در حوضچه مذاب در حین جوشکاری لیزری به طور قابل توجهی بر شکل حوضچه مذاب، جریان مذاب در حوضچه مذاب و سرعت خنک شدن حوضچه مذاب تأثیر می گذارد. در حین جوشکاری با نفوذ عمیق لیزری، فروپاشی و نفوذ موضعی فلز مایع بر فرآیند جوشکاری تأثیر می گذارد. تشکیل درز. لیو و همکاران ارتعاش اولتراسونیک را در فرآیند جوشکاری لیزری فولاد ضد زنگ 301 وارد کرد. مشخص شد که افزودن ارتعاش اولتراسونیک مورفولوژی جوش را تغییر داد که از شکل فنجان شراب قرمز به شکل قیف تغییر کرد و تعداد زیادی کریستال ستونی در ناحیه جوش به کریستال‌های هم محور تبدیل شدند، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است. سختی و استحکام کششی بیشتر روی جوش انجام شد و مشخص شد که میانگین سختی ناحیه جوش 16 درصد افزایش یافته است در حالی که سختی ناحیه متاثر از حرارت تغییر قابل توجهی نداشته است. منحنی تنش-کرنش نشان داد که افزودن ارتعاش اولتراسونیک می تواند شکل پذیری جوش را بهبود بخشد.
لیو و همکاران اثر ارتعاش اولتراسونیک بر تغییرات تنش در حین جوشکاری شبیه سازی شده است. نتایج نشان می دهد که ارتعاش اولتراسونیک می تواند به طور قابل توجهی تنش کششی در قسمت بالایی جوش را تضعیف کند و تنش فشاری در قسمت پایین جوش را افزایش دهد و در نتیجه خواص مکانیکی جوش را بهبود بخشد. اثر جریان صوتی ناشی از ارتعاش اولتراسونیک نقش تکان دهنده ای ایفا می کند و توزیع گرما را در جوش یکنواخت تر می کند، در حالی که موج ضربه ای ایجاد شده توسط اثر کاویتاسیون، کریستال های ستونی ضخیم در ریشه جوش را می شکند و مورفولوژی دانه جوش جوش تغییر خواهد کرد ژانگ جیاکی و همکاران ارتعاش اولتراسونیک را در طول جوشکاری هیبریدی لیزر-MIG (MIG، جوشکاری با گاز بسیار خنثی ذوب) فولاد و آلومینیوم اضافه کرد و دریافت که وقتی توان اولتراسونیک 130 تا 140 وات بود، تخلخل داخلی جوش از 0.25٪ به 0.21٪ کاهش یافت. محتوای ترکیب بین فلزی شکننده FeAl3 در جوش کاهش می یابد و خاصیت کششی جوش 12٪ افزایش می یابد. جوشکاری فرآیندی است که از یک منبع گرما برای ذوب مواد مورد جوش استفاده می‌کند و سپس در طی فرآیند خنک‌سازی یک پیوند متالورژیکی پایدار ایجاد می‌کند. پایداری مذاب فلز در طول جوشکاری لیزری کلید کل فرآیند جوشکاری است. فرکانس انتقال قطرات و شکل مذاب مستقیماً بر کیفیت شکل دهی جوش تأثیر می گذارد. تحقیقات نشان می‌دهد که فرکانس ارتعاش اولتراسونیک بر فرکانس انتقال مذاب فلز تأثیر می‌گذارد و دامنه آن بر شکل مذاب فلز در هنگام جامد شدن تأثیر می‌گذارد. چن و همکاران بررسی اثر موقعیت ضربه ارتعاش اولتراسونیک بر انتقال قطرات. نتایج نشان می دهد که وقتی موقعیت ضربه نزدیک به مذاب فلز است، مذاب فلز به شدت تکان می خورد.
اگرچه ارتعاش به تقویت ذوب کمک می کند، اما باعث ایجاد بریدگی در دیواره های جانبی شیار می شود. هنگامی که فاصله بین موقعیت ضربه و مذاب فلز مناسب باشد، ارتعاش اولتراسونیک برای افزایش عمق نفوذ مساعد است و کمتر احتمال دارد که باعث همجوشی بین لایه‌ای ضعیف شود. از سوی دیگر، ارتعاش اولتراسونیک می تواند حجم مذاب فلز و زمان خروج بخار را افزایش دهد.
بین با این حال، ناحیه حوضچه مذاب جوش لیزری کوچک است و سرعت خنک شدن آن سریع است. ارتعاش بیش از حد اولتراسونیک یک اثر کاویتاسیون قوی ایجاد می کند. مقدار زیادی بخار فلز در داخل مذاب فلز انباشته می شود و تخلیه کامل حوضچه مذاب را در مدت زمان بسیار کوتاهی مشکل می کند و در نتیجه منافذ داخلی ایجاد می شود که بر کیفیت شکل دهی و مکانیک جوش تاثیر می گذارد.
عملکرد.
پالایش دانه جوش ناشی از ارتعاش اولتراسونیک بسیار آشکار است. در طول فرآیند جوشکاری، کریستال های ستونی با جهت گیری ترجیحی که از مواد پایه به عنوان نقطه شروع رشد می کنند، تحت اثر هم افزایی اثر کاویتاسیون و اثر جریان صوتی شکسته می شوند و سرعت ذوب فلز را افزایش می دهند. نقاط هسته در بدن به پالایش دانه ها کمک می کند. پالایش دانه ها باعث ایجاد مرزهای دانه و دررفتگی بیشتر می شود. مرز دانه ها موانع خوبی در برابر تنش هستند و اثر پینینگ نابجایی ها می تواند تنش را در طول فرآیند انتقال تنش جذب کند، سخت شدن کار ایجاد کند و استحکام کششی جوش را بهبود بخشد. عملکرد کششی از نظر ریزسختی، پالایش دانه معمولا ریزسختی جوش را افزایش می دهد. تاراسوف و همکاران پس از افزودن ارتعاشات مافوق صوت با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) عیوب میکروسکوپی را در جوش مشاهده کرد و دریافت که ارتعاشات اولتراسونیک تعداد خطاهای انباشتگی در ساختار جوش را افزایش می دهد. این گسل های انباشته شده توسط نابجایی تقسیم شدند. انباشتگی ریزسختی جوش را افزایش می دهد.
معرفی ارتعاش اولتراسونیک بر انتقال قطرات، مورفولوژی جوش و غیره تأثیر می گذارد و می تواند رشد دانه را در طول فرآیند جوشکاری تنظیم کند و عملکرد اجزای جوش داده شده را بهبود بخشد. در حال حاضر، فرآیند جوشکاری به کمک ارتعاش اولتراسونیک نسبتا بالغ است، اما برای فرآیند جوشکاری با منابع حرارتی مختلف، تجهیزات مختلفی برای افزودن ارتعاش اولتراسونیک باید طراحی شود. چگونگی ترویج کاربرد در مقیاس بزرگ جوشکاری به کمک ارتعاش اولتراسونیک هنوز به تحقیقات بیشتری نیاز دارد.

روکش لیزری با کمک اولتراسونیک
قطعات فلزی معمولاً در محیط‌های خدماتی شدید مانند موتورهای هواپیما، نیروگاه‌های هسته‌ای و دریاهای عمیق نرم، تغییر شکل و خوردگی می‌شوند. پوشاندن یک لایه محافظ مقاوم در برابر خوردگی و دمای بالا روی سطح قطعه کار ضروری است. حالت ایده آل لایه روکش، توزیع یکنواخت عنصر و دانه های ریز است. در پرکاربردترین روکش لیزری یا روکش قوس پلاسما، اندازه دانه های مختلفی در داخل لایه روکش وجود خواهد داشت که سپس باعث ایجاد تنش داخلی و جداسازی عناصر می شود. در میان آنها، تنش داخلی باعث ایجاد ترک می شود که بر تداوم و عملکرد لایه روکش تاثیر می گذارد. در حال حاضر روش های بهبود شامل عملیات پس از حرارت، بهینه سازی پارامترهای فرآیند، کنترل ترکیب عناصر و غیره است، اما روش های فوق کمی دست و پا گیر بوده و چرخه بهبود طولانی است. لرزش اولتراسونیک را می توان در زمان واقعی در طول فرآیند روکش اضافه کرد که به راحتی قابل کنترل و تنظیم است و برای بهبود عیوب در فرآیند روکش فلزی استفاده می شود.
مورفولوژی و ریزساختار لایه روکش با کمک اولتراسونیک
لایه روکش و ماده پایه با ذوب شدن یک پیوند متالورژیکی پایدار ایجاد می کنند، اما حرکت منبع گرما و توزیع ناهموار پودر در طول فرآیند روکش روی گرم شدن لایه روکش تاثیر می گذارد و لایه روکش در زیبایی نیست. شکل و پودر چسبناک دارد. اثر حرارتی تولید شده توسط ارتعاش اولتراسونیک می‌تواند ذوب پودر ذوب نشده را تقویت کند و اثر حفره‌ای و اثر جریان صوتی می‌تواند گردش جریان گرما را در داخل مذاب فلز تقویت کند، گرادیان دمای هر قسمت از لایه روکش را کاهش دهد و دانه‌ها را تصفیه کند. . یانگ و همکاران اثر ارتعاش اولتراسونیک بر ریزساختار لایه روکش لیزری چند لایه را مطالعه کرد. فرآیند روکش کاری اتخاذ شده یک لایه با اولتراسوند و یک لایه بدون اولتراسوند بود. نتایج EBSD نشان داد که وقتی اولتراسوند اضافه نشده بود، تعداد زیادی کریستال ستونی در داخل لایه روکش وجود دارد. پس از افزودن اولتراسوند، دانه های لایه روکش به کریستال های هم محور تبدیل شدند و اندازه دانه متوسط ​​از 98.51 میکرومتر به 13.91 میکرومتر تصفیه شد. ژانگ و همکاران آلیاژ آنتروپی متوسط ​​TribaloyX-40 را روی بستر TC4 پوشانده و ارتعاش اولتراسونیک را از بالا به زیرلایه اعمال می کند، اما مستقیماً مذاب فلز را وارد نمی کند. اندازه دانه لایه روکش از 7.38 میکرومتر به 6.19 میکرومتر تصفیه شد و تعداد مرزهای دانه با زاویه کوچک از 5.8٪ به 31.1٪ افزایش یافت. شیائو و همکاران همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، از فناوری روکش لیزری به کمک لرزش اولتراسونیک برای تهیه یک لایه روکش فلزی کامپوزیت آمورف مبتنی بر آهن استفاده کرد. شدت ارتعاش اولتراسونیک کاهش یافت و اثر ارتعاش در بالای لایه روکش ضعیف بود. هنوز یک ناحیه بزرگ از ناحیه بی شکل در بالای لایه روکش وجود دارد که ممکن است به دلیل تضعیف ارتعاش اولتراسونیک در بستر ایجاد شود.
نرخ رقت یک پارامتر مهم است که بر کیفیت روکش لیزری تأثیر می گذارد. هنگامی که شدت ارتعاش اولتراسونیک بیش از حد زیاد است، اثر کاویتاسیون شدید و اثر جریان صوتی توانایی ذوب لیزر را افزایش می‌دهد و تعداد زیادی از عناصر موجود در بستر از طریق رقیق‌سازی شدید با لایه روکش مخلوط می‌شوند، که قانون را نقض می‌کند. سرعت رقت کم روکش لیزری و یکپارچگی بستر روکش را از بین می برد. ون و همکاران از فناوری روکش لیزری با کمک اولتراسونیک برای طراحی و آماده سازی لایه روکش آلیاژی با آنتروپی بالا AlCoCrFeMn0.5Mo0.1Nbx یوتکتیک استفاده کرد و ارتعاش اولتراسونیک از بالا به زیرلایه بارگذاری شد. نتایج در شکل 10 نشان داده شده است. ارتعاش اولتراسونیک می تواند مورفولوژی و سرعت رقت لایه روکش را تغییر دهد. عرض و عمق روکش افزایش می یابد، ارتفاع روکش کاهش می یابد و حداکثر نرخ رقت به 42.9٪ می رسد. از طریق تجزیه و تحلیل طیف سنج پراکندگی انرژی منطقه ای (EDS)، می توان مشاهده کرد که محتوای عنصر آهن به طور قابل توجهی افزایش می یابد. تجزیه و تحلیل فاز پراش اشعه ایکس (XRD) نشان می‌دهد که آلیاژ مکعبی تک فاز (BCC) با آنتروپی بالا به یک آلیاژ دو فاز مکعبی (FCC) + BCC تبدیل می‌شود. آلیاژ با آنتروپی بالا در لایه روکش دیگر سازماندهی و خواص آلیاژ با آنتروپی بالا اصلی را ندارد.
خواص مکانیکی لایه روکش لیزری با کمک اولتراسونیک
سختی لایه روکشی ارتباط نزدیکی با مقاومت اصطکاک دارد. محققان معمولاً از پالایش دانه یا افزودن فاز تقویتی برای بهبود سختی لایه روکش استفاده می کنند. با این حال، فرآیند روکش فلزی یک فرآیند انجماد سریع است. گرادیان دما در مذاب فلز کاملاً متفاوت است، توزیع اندازه دانه ناهموار است و ذرات فاز تقویت کننده به دلیل توزیع مجدد املاح جدا می شوند، که نمی تواند الزامات بهبود سختی لایه روکش را برآورده کند. اثر کاویتاسیون تولید شده توسط ارتعاش اولتراسونیک می تواند به طور موثر دانه ها را تصفیه کند و امواج ضربه ای تولید شده می تواند فاز تقویت جدا شده را بشکند. در همان زمان، اثر جریان آکوستیک توزیع یکنواخت فاز تقویت را ترویج می کند. ژوانگ و همکاران روکش فولاد ضد زنگ 316L را روی بستر Q235 مورد مطالعه قرار داد. نتایج نشان داد که ارتعاش اولتراسونیک ریزساختار لایه روکش را اصلاح کرد و میانگین اندازه دانه حدود 42 درصد کوچکتر از لایه روکش بدون کمک ارتعاش اولتراسونیک بود. ضریب اصطکاک لایه روکش 28٪ کاهش یافت. ژانگ و همکاران همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، از فناوری روکش لیزری با کمک لرزش اولتراسونیک برای تهیه لایه های پوششی کامپوزیتی مبتنی بر ذرات سرامیکی TiB11 و TiC استفاده کرد. ذرات در لایه روکشی یکنواخت تر می شوند و ریزسختی و مقاومت در برابر سایش لایه روکش را بهبود می بخشند. با این حال، ارتعاش فراصوت بیش از حد بر پایداری مذاب فلز در طول انجماد تأثیر می‌گذارد و لایه روکشی مستعد ترک است.
ون و همکاران ارتعاش اولتراسونیک را به فناوری آلیاژ آنتروپی بالا روکش لیزری معرفی کرد و دریافت که با افزایش محتوای عنصر Nb، ریزسختی لایه روکش از 756 HV به 869.9 HV افزایش یافت. هان و همکاران دریافتند که در فرآیند روکش لیزری 316L، افزودن ارتعاش اولتراسونیک بر مقاومت اصطکاک لایه روکش تاثیر می گذارد. با افزایش دامنه مافوق صوت، ضریب اصطکاک لایه روکش از 0.713 به 0.517 کاهش یافت، اما دامنه بیش از حد باعث تکان دادن ذوب فلز و کاهش کیفیت سطح لایه روکش شد. ژائو و همکاران اثر ارتعاش اولتراسونیک بر روکش لیزری آلیاژهای آنتروپی بالا نسوز را مورد مطالعه قرار داد و دریافت که اثر حرارتی ارتعاش اولتراسونیک مقدار پودر ذوب نشده روی سطح لایه روکش را تا حد زیادی کاهش داد و ترک‌های داخل لایه روکش را از بین برد. از نظر سختی، ارتعاش اولتراسونیک دانه های درشت را شکست و ریزسختی لایه روکش از 718 HV به 980 HV افزایش یافت. ضریب اصطکاک لایه روکش در دمای 25، 600، 800 و 1000 درجه سانتیگراد به ترتیب 10.7، 25، 25 و 33 درصد کاهش یافت. در دمای 25، 600، 800 و 1000 درجه سانتیگراد، میزان سایش به ترتیب 15، 20.1، 36.2 و 40.3 درصد کاهش یافت.
-مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر اکسیداسیون لایه روکش لیزری با کمک اولتراسونیک
در محیط خوردگی مایع یا دمای بالا، لایه غیرفعال تشکیل شده بر روی سطح لایه روکشی می تواند به طور موثری از مواد پایه در برابر خوردگی محیطی محافظت کند. عناصر مقاوم در برابر خوردگی مانند کروم، نیکل و کبالت در لایه روکشی می توانند تشکیل لایه غیرفعال را افزایش دهند، اما شکاف پتانسیل شیمیایی خاصی بین این عناصر و سایر عناصر وجود دارد که منجر به جداسازی می شود. افزودن فاز سرامیکی همچنین می تواند مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر اکسیداسیون لایه روکش را بهبود بخشد، اما جداسازی همچنان رخ می دهد. اثر جریان صوتی و اثر کاویتاسیون ایجاد شده توسط ارتعاش اولتراسونیک می تواند مذاب را به هم بزند، جداسازی عناصر را مهار کند و جداسازی فاز را افزایش دهد. بیسواس و همکاران اثر ارتعاش اولتراسونیک بر مقاومت به خوردگی لایه روکش لیزری 2024 آلیاژ آلیاژی را بررسی کرد. به دلیل توزیع ناهموار آلومینا، علائم خوردگی صفحه مانند پس از خوردگی روی سطح لایه روکش اولیه ظاهر شد و عدم وجود فیلم غیرفعال باعث ایجاد شکاف های صفحه شد. پس از اضافه کردن اولتراسوند، سطح خوردگی یکنواخت بود و شکاف صفحه آشکاری وجود نداشت، اما منحنی پلاریزاسیون پتانسیودینامیک نشان داد که مقاومت به خوردگی لایه روکش پس از افزودن اولتراسوند بدتر می‌شود. ژوانگ و همکاران مقاومت به خوردگی لایه پوششی ذرات کامپوزیت TiC CrMnFeCoNi را بررسی کرد و دریافت که افزودن ارتعاش اولتراسونیک می‌تواند ذرات TiC را به طور مساوی در لایه روکشی توزیع کند. هنگامی که محتوای TiC کم است، پتانسیل سلول گالوانیکی خود خوردگی تشکیل شده در لایه روکش افزایش می یابد و مقاومت به خوردگی کاهش می یابد. با افزایش محتوای ذرات TiC، منطقه جداسازی آشکار است، نابجایی داخلی لایه روکش کاهش می‌یابد و مقاومت به خوردگی بهبود می‌یابد. فن و همکاران اثر ارتعاش اولتراسونیک بر مکانیسم خوردگی الکتروشیمیایی لایه‌های روکش آلیاژی AlCoCrFeNi و AlCoCuFe2.1Ni با آنتروپی بالا را مطالعه کرد. در این دو آلیاژ با آنتروپی بالا، عناصر کروم و مس مقاومت به خوردگی آلیاژهای آنتروپی بالا را تعیین می کنند. مکانیسم خوردگی در شکل 12 نشان داده شده است. ارتعاش اولتراسونیک دانه ها را تصفیه می کند و افزایش تعداد مرزهای دانه ها نقاط خوردگی فعال تری را ایجاد می کند، اما عنصر کروم در مرز دانه ها تحت تأثیر ارتعاش اولتراسونیک جدا می شود و در طول فرآیند خوردگی لایه های غیرفعال بیشتری تشکیل می دهد و در نتیجه خوردگی را بهبود می بخشد. مقاومت لایه روکش. برای AlCoCuFe2.1Ni، عنصر مس در مقادیر زیادی در مرز دانه‌ها جدا می‌شود و در نتیجه اختلاف پتانسیل زیادی بین فاز غنی از مس و فاز فقیر از مس ایجاد می‌شود که به نوبه خود منجر به خوردگی می‌شود. ارتعاش اولتراسونیک به طور قابل توجهی دانه‌های داخل لایه روکش را ریز می‌کند، پدیده جدایش عنصر مس به طور قابل توجهی تضعیف می‌شود، مقاومت در برابر خوردگی بهبود می‌یابد و ترکیب سطح خوردگی به ترکیب اولیه نزدیک می‌شود.
لرزش اولتراسونیک می تواند ریزساختار و خواص لایه روکش سطحی را بهبود بخشد. از نظر ریزساختار، اثر جریان صوتی و اثر حرارتی ارتعاش اولتراسونیک باعث کاهش گرادیان دما در داخل مذاب فلز، قطع کریستال‌های ستونی درشت در پایین لایه روکش، افزایش محتوای کریستال‌های هم محور در لایه روکش شده و مهار می‌شود. تفکیک عناصر از نظر عملکرد، پالایش دانه خواص مکانیکی لایه روکش را بهبود می بخشد و ترکیب عنصر و توزیع عنصر آلیاژ به طور مشترک بر مقاومت در برابر خوردگی لایه روکش تاثیر می گذارد. در حال حاضر، بیشتر تحقیقات در مورد روکش لیزری به کمک اولتراسونیک در مرحله تحقیقات آزمایشگاهی باقی مانده است و تحقیقات عملی زیادی هنوز برای ارتقای کاربرد مهندسی روکش لیزری با کمک ارتعاش اولتراسونیک مورد نیاز است.

تولید افزودنی لیزر به کمک اولتراسونیک
ساخت افزودنی یک روش شکل‌دهی فلز لایه به لایه با ویژگی‌های درجه آزادی بالا، اتوماسیون بالا، سرعت شکل‌دهی سریع و تلفات کم مواد است. به طور گسترده ای در ساخت قطعات و قالب های ساختاری پیچیده استفاده می شود. در فرآیند تولید افزودنی لیزر، این ماده لایه به لایه ذوب شده و جامد می شود و در نتیجه گرما تجمع می یابد. دانه ها در انباشت گرمای مداوم به رشد خود ادامه می دهند و بلورهای ستونی با اندازه بزرگ با استحکام بافت بالا را تشکیل می دهند که به طور جدی بر خواص مکانیکی قطعه کار تأثیر می گذارد. علاوه بر این، عیوب مانند ترک ها، منافذ، و تنش داخلی باقیمانده اغلب در داخل قطعات ساخته شده با مواد افزودنی ظاهر می شوند که نیاز به بهینه سازی زیاد یا شبیه سازی عددی پارامترهای فرآیند دارند، اما چنین روش هایی کمی دست و پا گیر هستند. ارتعاش اولتراسونیک دارای عملکردهای گاز زدایی و پالایش دانه در طول جوشکاری و روکش لیزری است، بنابراین توسط محققان برای بهبود مورفولوژی ماکروسکوپی، ریزساختار و عملکرد قطعات افزودنی استفاده می شود.
-سیستم تولید افزودنی لیزر به کمک اولتراسونیک
فناوری تولید افزودنی لیزر بر اساس ذوب فلزات مستلزم ادغام بسیاری از تجهیزات و سیستم ها مانند سیستم تولید لیزر با دقت بالا، سیستم حمل و نقل مواد فلزی، سیستم تولید اتمسفر محافظ و سیستم پس از پردازش قطعات است. حجم مذاب فلز در ساخت افزودنی لیزر بسیار کم است و سرعت انجماد زیاد است. نحوه اضافه کردن ارتعاش اولتراسونیک موثر در زمان کوتاه از ذوب تا انجماد یک مسئله کلیدی است. علاوه بر این، برخلاف جوشکاری لیزری و روکش لیزری، چرخه ساخت تولید افزودنی لیزر نسبتا طولانی است. هنگام مواجهه با قطعات بزرگ و قطعات ساختاری پیچیده، ساخت طولانی مدت منجر به تجمع گرمای زیادی می شود. کل قسمت به طور مکرر تحت فرآیندهای گرمایش و سرمایش قرار می گیرد. تغییر شدید دما برای افزودن و انتشار ارتعاش اولتراسونیک مساعد نیست. در عین حال، در فرآیند ساخت افزودنی، افزایش جرم قطعه نیز بر پایداری فرکانس و دامنه ارتعاش تأثیر می گذارد.
در پاسخ به مشکلات فوق، محققان انواع سیستم های اولتراسونیک را برای انتقال ارتعاشات اولتراسونیک طراحی کرده اند. تودارو و همکاران بر مکانیسم عمل ارتعاش اولتراسونیک با شدت بالا در فرآیند تولید افزودنی فولاد ضد زنگ 316L متمرکز شد و یک ماتریس اولتراسونیک رزونانس را از طریق تجزیه و تحلیل مودال طراحی کرد. از آنجایی که جرم ماتریس اولتراسونیک بزرگتر از قطعات تولیدی افزودنی است، می تواند به طور مداوم ارتعاش اولتراسونیک با فرکانس بالا 20 کیلوهرتز ایجاد کند در حالی که اثر گرما را جدا می کند. به منظور تأیید قابلیت اطمینان سیستم، آنها یک مدل همبستگی بین شدت ارتعاش اولتراسونیک و ارتفاع شکل‌دهی ایجاد کردند. ارتعاش مافوق صوت هنوز شدت کوتاه‌مدتی دارد که نشان می‌دهد تغییر دما و تغییر جرم در فرآیند تولید افزودنی به طور جدی بر انتشار ارتعاش اولتراسونیک تأثیر می‌گذارد.
از منظر سازماندهی و مشخصه عملکرد قطعات تشکیل‌شده، ارتعاش اولتراسونیک با شدت بالا تأثیر تنظیم‌کننده قابل‌توجهی بر ساختار دانه قطعات تولیدی افزودنی لیزر دارد. همانطور که در شکل 13 نشان داده شده است، افزودن ارتعاش اولتراسونیک جهت رشد دانه در مذاب فلز را تغییر می دهد. اثر کاویتاسیون ناشی از ارتعاش مافوق صوت با شدت بالا، گرادیان دما را در قسمت جلوی رابط جامد-مایع کاهش می‌دهد، اختلاف گرادیان دمایی مذاب را کاهش می‌دهد، مکان‌های هسته‌زایی بیشتری را فراهم می‌کند، رشد کریستال‌های ستونی را مهار می‌کند، و زاویه شیب را تغییر می‌دهد. دانه های ریشه از 29 درجه تا 48 درجه اصلی. دانه ها به طور قابل توجهی تصفیه شده و استحکام بافت به طور قابل توجهی کاهش می یابد. منحنی تنش-کرنش کششی نشان می دهد که استحکام کششی از (980±13) مگاپاسکال به (1094±18) مگاپاسکال افزایش می یابد. بنابراین، اضافه کردن ارتعاش اولتراسونیک از پایین یک راه قابل اعتماد است. ایده دیگر برای بهبود شدت ارتعاش اولتراسونیک این است که ارتعاش اولتراسونیک را مستقیماً از طریق یک سر ابزار مخصوص به داخل مذاب فلز منتقل کنید. این روش مستلزم آن است که سر ابزار مقاومت خوبی در دمای بالا داشته باشد. در حال حاضر این فناوری در زمینه ساخت افزودنی های قوس الکتریکی به کار گرفته شده است. اما به دلیل ویسکوزیته فلز مایع، آثاری از استخراج سر ابزار روی سطح قطعات افزودنی آماده شده وجود دارد و کیفیت سطح قطعات افزودنی ضعیف است. وانگ و همکاران یک دستگاه ارتعاش اولتراسونیک را طراحی کرد، ارتعاش اولتراسونیک را با سیستم تولید افزودنی لیزر از طریق یک سر ابزار اولتراسونیک بسیار ظریف همراه کرد و میدان صوتی مذاب فلز را به صورت عددی شبیه‌سازی کرد. نتایج نشان می دهد که با افزایش قدرت مافوق صوت، محتوای کریستال های ستونی در قسمت تشکیل شده کاهش می یابد، ریزسختی بالای قطعه تفاوت چندانی ندارد، اما سختی قسمت میانی و پایینی قطعه تفاوت معنی داری دارد. ، نشان می دهد که اثر انتشار ارتعاش اولتراسونیک در مایع ضعیف است و اثر ارتعاش اولتراسونیک در قطعه یکنواخت نیست. بنابراین، لازم است مطالعه عمیق تری در مورد روش افزودن گسترش به حوضچه مذاب انجام شود.
ساختار و عملکرد قطعه تولید افزودنی لیزر با کمک اولتراسونیک
تولید افزودنی فرآیندی است که در آن انجماد سریع و چرخه حرارتی متناوب انجام می شود. مذاب فلز تحت فرآیندهای مکرر خنک کننده و گرمایش قرار می گیرد و منافذ به راحتی بین لایه ها ایجاد می شوند. ارتعاش اولتراسونیک می تواند جریان مذاب را تقویت کرده و تخلخل قطعات افزودنی را کاهش دهد. وانگ و همکاران همانطور که در شکل 718 نشان داده شده است، اثر فرکانس ارتعاش اولتراسونیک بر فرآیند تولید افزودنی آلیاژ IN14 با دمای بالا را مطالعه کرد. در عین حال، مدول الاستیک قطعه در مقایسه با مدول بدون اولتراسوند بهبود می یابد. با این حال، فرکانس مافوق صوت بیش از حد باعث افزایش تخلخل می شود. زیرا در شرایط فرکانس بالا، کوتاه ترین زمان لازم برای کاویتاسیون را نمی توان تضمین کرد و اثر کاویتاسیون سرکوب می شود.
بافت یکی از ویژگی های مهم ساختار دانه قطعات افزودنی لیزر است. تعداد زیادی از بلورهای ستونی تولید شده توسط انجماد سریع به سرعت تحت یک گرادیان دمایی منفی رشد می کنند. تحت اثر ذوب مجدد لیزر، کریستال های ستونی می توانند در جهت جریان گرما به سمت بالا رشد کنند تا زمانی که تولید افزودنی تکمیل شود. چنین ساختاری ناهمسانگرد است و ترک های اصلی نیز در امتداد مرزهای دانه به سمت بالا گسترش می یابند و در نتیجه به کیفیت کلی قطعه آسیب می رسانند. ارتعاش اولتراسونیک می‌تواند کریستال‌های ستونی را که از چندین لایه عبور می‌کنند، قطع کند، دانه‌های قطعه را اصلاح کند و گرادیان دما را کاهش دهد، جریان مذاب را تقویت کند و رشد ترک را مهار کند. ژانگ آنفنگ و همکاران اثر ارتعاش اولتراسونیک بر فرآیند تولید افزودنی لیزر آلیاژ TC4 را مطالعه کرد. مشخص شد که افزودن اولتراسوند زبری سطح قسمت تشکیل‌شده را کاهش داد و بلورهای ستونی درشتی که از لایه‌های رسوب‌گذاری متعدد عبور می‌کردند، تصفیه شدند و میانگین اندازه دانه از ۳۴۵ میکرومتر به ۲۵۰ میکرومتر کاهش یافت. یوان و همکاران یک دستگاه تولید افزودنی لیزر با کمک اولتراسونیک را طراحی کرد و فولاد ضد زنگ ER 345 را تهیه کرد. نتایج نشان داد که پس از افزودن اولتراسوند، استحکام بافت در لایه تشکیل‌دهنده به طور قابل‌توجهی کاهش یافت، که تبدیل کریستال‌های ستونی به کریستال‌های هم محور را ارتقا داد. ریزسختی قطعه تشکیل‌شده از 250 HV به 321 HV، استحکام تسلیم از 196 MPa به 217 MPa و استحکام کششی از 328 MPa به 367 MPa افزایش یافت. ماسایلو و همکاران رشد کریستال های ستونی را با تنظیم قدرت اولتراسونیک در هنگام ساخت فولاد ابزار H646 با ساخت افزودنی لیزری سرکوب کرد و ناهمسانگردی قطعات را تا حد زیادی کاهش داد.
جریان مذاب ناشی از ارتعاش اولتراسونیک نقش تکان دهنده ای ایفا می کند که توزیع یکنواخت فاز تقویت را در سازمان ترویج می کند. نیو و همکاران با استفاده از فراصوت از بالا، آلیاژ TC4 بر پایه سرامیک تهیه کرد. نتایج نشان می دهد که تحت عمل کاویتاسیون اولتراسونیک و جریان صوتی، محتوای TiC ذوب نشده کاهش می یابد، TiC اولیه دندریت در طول انجماد شکسته می شود و یکنواختی توزیع TiC اولیه بهبود می یابد. ریزسختی متوسط ​​لایه روکش کامپوزیت تحت تأثیر ارتعاش اولتراسونیک به حداکثر مقدار (656.70 HV) می رسد که 83.21٪ بیشتر از ماتریس Ti6 Al4V و 26.44٪ بیشتر از لایه روکش کامپوزیت بدون ارتعاش اولتراسونیک است. هو و همکاران اولتراسوند را به فرآیند تولید افزودنی لیزر سرامیک های زیرکونیا-آلومینا معرفی کرد. نتایج نشان می دهد که ارتعاش اولتراسونیک می تواند به طور موثری از شروع و انتشار ترک ها در قسمت های تشکیل شده با کاهش تنش حرارتی جلوگیری کند. ZrO2 در مرزهای دانه Al2O3 تجمع می یابد و متصل می شود و ریزساختار شبکه تشکیل شده می تواند به طور موثر ترک ها را از بین ببرد.
با جمع بندی مطالعات فوق، می توان دریافت که معرفی ارتعاش اولتراسونیک می تواند عیوب قطعات افزودنی مانند دانه های درشت، استحکام بافت بالا و انتشار ترک های داخلی را بهبود بخشد. با این حال، ساخت افزودنی یک روش آماده سازی لایه به لایه است. گستره فضایی قطعات تشکیل شده بزرگ و سازه پیچیده است. اثر انتشار ارتعاش اولتراسونیک تحت تأثیر ساختار قطعات خواهد بود. بنابراین، استفاده از ارتعاش اولتراسونیک در فناوری ساخت افزودنی هنوز نیاز به تحقیقات بیشتری دارد. جدول 2 نقش ویژه ارتعاش اولتراسونیک را در فناوری های مختلف شکل دهی ذوب فلزات فهرست می کند.
کاربرد مهندسی ساخت افزودنی لیزر با کمک اولتراسونیک
فناوری ساخت افزودنی لیزر مزایای زیادی در ساخت و تعمیر قطعات خدماتی دارد و بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، این فناوری شامل دینامیک پیچیده ذوب و انجماد است، کنترل ساختار دانه دشوار است و عیوب ساختاری در طول فرآیند تولید مستعد رخ دادن هستند. علاوه بر این، تغییرات حجم و جرم قطعات تأثیر بسزایی در فرآیند هدایت حرارت لیزری دارد و در نتیجه ساختار داخلی ناهموار قطعات ایجاد می‌شود. برای حل این مشکلات، یک استراتژی جدید استفاده از امواج فراصوت با شدت بالا برای کنترل فرآیند انجماد است. این روش ایده جدیدی برای تولید افزودنی لیزر با کمک ارتعاش التراسونیک قطعات بزرگ ارائه می دهد. هنگامی که محققان از ارتعاش اولتراسونیک برای کنترل منافذ و دانه‌های قطعات در تولید افزودنی لیزری ظروف زباله صنعتی 3 متر مکعبی استفاده کردند. ساختار دانه در گوشه ظرف در شکل 3 نشان داده شده است. ارتعاش اولتراسونیک تعداد زیادی از منافذ را در ساختار اصلی حذف می کند، اندازه دانه را کاهش می دهد، گرادیان دمایی رابط جامد-مایع را در طول انجماد مذاب کاهش می دهد. و تولید ترک های حرارتی را سرکوب می کند. با این حال، نتایج به‌دست‌آمده در این آزمایش تنها کاهش‌های متناسب در اندازه اصلی است و مشکل انتقال ناهموار ارتعاش اولتراسونیک در هنگام ساخت قطعات بزرگ را به طور کامل حل نمی‌کند. بنابراین، برای دستیابی به طیف وسیع تری از کاربردها، سیستم ارتعاش اولتراسونیک باید بیشتر بهینه شود.

سالها تحقیق توسط محققان در سراسر جهان تأیید کرده است که چه به عنوان یک منبع انرژی و چه به عنوان یک میدان انرژی کمکی، فناوری ارتعاش اولتراسونیک چشم انداز کاربردی گسترده ای را در زمینه های اتصال، تهیه و تعمیر مواد فلزی و غیرفلزی نشان داده است. مکانیسم عمل ارتعاش اولتراسونیک در مذاب های فلزی بررسی می شود. برای چهار روش شکل‌دهی ذوب فلز، یعنی ریخته‌گری، جوشکاری، روکش‌کاری سطحی و ساخت افزودنی، روش معرفی ارتعاش فراصوت و تأثیر آن بر ریزساختار و خواص فیزیکی قطعات تشکیل‌شده معرفی شده است. ارتعاش اولتراسونیک می‌تواند دانه‌های درشت تولید شده در طول انجماد سریع را اصلاح کند، نقص‌ها را سرکوب کند، مورفولوژی ماکروسکوپی و خواص مکانیکی جوش‌ها و لایه‌های روکش را بهبود بخشد و در نتیجه از مشکلات موجود در فرآیند تولید یک میدان انرژی منفرد جلوگیری کند. با این حال، مسائل زیر هنوز نیازمند تحقیقات عمیق توسط محققان علمی است.

یک مدل اجزای محدود کامل‌تر برای شبیه‌سازی مکانیسم تعامل بین ارتعاش اولتراسونیک و مذاب فلزات ایجاد کنید. اثرات متعدد ایجاد شده توسط ارتعاش اولتراسونیک، مانند کاویتاسیون و جریان صوتی، نقش مهمی در بهبود عیوب قطعات تشکیل‌شده از ذوب فلز و بهبود عملکرد قطعات کار دارد. با این حال، این اثرات معمولاً باید از طریق آزمایش‌ها و گمانه‌زنی‌های نظری توصیف شوند. با در نظر گرفتن اثر کاویتاسیون و اثر جریان آکوستیک به عنوان مثال، نحوه نمایش همزمان این دو اثر به روشی بصری تر یک چالش است. اگرچه شبیه‌سازی اجزای محدود یک ابزار بصری را فراهم می‌کند، نحوه شبیه‌سازی و توصیف دقیق‌تر اثرات چندگانه تولید شده توسط ارتعاش اولتراسونیک همیشه موضوع داغ تحقیق بوده است. ارتعاش اولتراسونیک دارای ویژگی های فرکانس بالا و انرژی بالا است و این اثرات بر اساس ویژگی های فرکانس بالای آن ایجاد می شود. محققان معمولاً از آب، گلیسیرین و سایر مواد به عنوان اشیاء تحقیقاتی استفاده می‌کنند و تحقیقات زیادی در مورد پدیده‌های کاویتاسیون و اثرات جریان صوتی در محیط‌های ساکن انجام داده‌اند، از جمله مشتق‌سازی نظری، شبیه‌سازی اجزای محدود و تأیید تجربی. با این حال، ذوب و شکل‌دهی فلز یک فرآیند پویا است که با تغییرات شدید دما همراه است. در مذاب فلز، پدیده های جریان غیر همدما مانند گردش مارانگونی و هم زدن الکترومغناطیسی وجود دارد. کل مذاب فلز در طول فرآیند خنک‌سازی تحت تأثیر ترکیبی اثرات متعدد قرار می‌گیرد. بنابراین، چگونگی مشخص کردن همزمان ویژگی‌های جریان خود مذاب فلز و اثرات کامپوزیت تولید شده توسط ارتعاش اولتراسونیک به تحقیقات عمیق‌تری نیاز دارد. این ممکن است شامل مدل‌سازی ویژگی‌های جریان دینامیکی مذاب فلز، و همچنین شبیه‌سازی دقیق‌تر اجزای محدود فرآیند ارتعاش اولتراسونیک باشد که بر جریان و انجماد فلز تحت شرایط دمای بالا و انرژی بالا تأثیر می‌گذارد. این تحقیق به ما کمک می کند مکانیسم تعامل بین ارتعاش اولتراسونیک و مذاب فلز را به طور جامع تر و عمیق تر درک کنیم.

تأثیر پارامترهای مختلف ارتعاش اولتراسونیک بر ریزساختار و عملکرد قطعات تشکیل‌شده را کمی بیشتر کنید. پارامترهای قابل تنظیم ارتعاش اولتراسونیک دامنه و فرکانس هستند. تنظیم فرکانس ارتعاش اولتراسونیک نسبتاً ساده است که معمولاً با کنترل بازخورد منبع تغذیه به دست می آید. با این حال، تنظیم دامنه را نمی توان با کنترل فیدبک منبع تغذیه به دست آورد و معمولاً نیاز به استفاده از ارتعاش سنج های لیزری یا حسگرهای درجا دارد. در همان دامنه، دامنه با توان خروجی منبع تغذیه همبستگی مثبت دارد، بنابراین بیشتر محققان از توان خروجی منبع تغذیه برای مشخص کردن دامنه ارتعاش اولتراسونیک استفاده می‌کنند. با این حال، توان خروجی منبع تغذیه یک مفهوم نسبی است. دامنه یکسان ممکن است برای تولید در منابع تغذیه مختلف یا تجهیزات اولتراسونیک به توان های متفاوتی نیاز داشته باشد و عادی سازی متغیرهای مستقل غیرممکن است. در حال حاضر، بیشتر گزارش‌ها فقط تأثیر افزودن ارتعاش اولتراسونیک بر ریزساختار و عملکرد قطعات را مطالعه می‌کنند و مطالعات نسبتا کمی در مورد ترکیب پارامترهای اولتراسونیک با پارامترهای ذوب فلز و شکل‌دهی برای آزمایش‌های فرآیند چند عاملی وجود دارد. بنابراین، برای درک جامع‌تر تأثیر ارتعاش اولتراسونیک بر فرآیند ذوب و شکل‌دهی فلز، لازم است طراحی آزمایشی چندعاملی ارتعاش اولتراسونیک کامپوزیت را بیشتر بهینه کرد. به عنوان مثال، مطالعه روش های تنظیم دامنه دقیق تر و مطالعه عمیق رابطه بین پارامترهای ارتعاش اولتراسونیک و پارامترهای شکل دهی فلز.

تضعیف و یکنواختی ارتعاش اولتراسونیک در فرآیند ذوب و شکل‌دهی فلز باید فوراً حل شود. این فرآیند با تغییرات شدید دما همراه است که ممکن است بر وضعیت کار دستگاه ارتعاش اولتراسونیک و در نتیجه اثر انتشار ارتعاش اولتراسونیک تأثیر بگذارد. با افزایش دما، فرکانس ارتعاش اولتراسونیک تغییر می کند و دمای بیش از حد ممکن است حتی به اجزای اولتراسونیک آسیب برساند. علاوه بر این، چه روش معرفی تماسی باشد یا یک روش معرفی اتصال رزوه ای، پوشاندن یکنواخت ارتعاش اولتراسونیک هنگام انتشار به مذاب فلز دشوار است. در فرآیندهای ساخت طولانی و پیچیده مانند روکش های سطحی و ساخت افزودنی، اثرات ارتعاش اولتراسونیک در موقعیت های مختلف ممکن است به طور قابل توجهی متفاوت باشد و در نتیجه تفاوت هایی در عملکرد قطعات تشکیل شده ایجاد می شود. بنابراین، به منظور بهبود پایداری و ثبات ارتعاش اولتراسونیک در فرآیند ذوب و شکل‌دهی فلز، اقدامات زیر لازم است انجام شود: 1) تحقیق و توسعه دستگاه‌های ارتعاش اولتراسونیک که می‌توانند در محیط‌های با دمای بالا به طور پایدار کار کنند تا تأثیرات را کاهش دهند. دما بر روی فرکانس و اجزای ارتعاش اولتراسونیک 2) روش های موثرتر انتشار ارتعاش اولتراسونیک را بررسی کنید تا اطمینان حاصل کنید که ارتعاشات اولتراسونیک می تواند به طور مساوی و موثر در سراسر مذاب فلز توزیع شود. این تحقیق به ترویج ارتعاشات اولتراسونیک برای ایفای نقش بیشتر در تولید واقعی کمک خواهد کرد.